Nat. Catal.：酶或寡肽做配体，钯催化的苯环单选择性碳氢键活化

导读

近日，南京工业大学胡燚课题组和美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）余金权课题组联合报道了利用商业可得的酶作为钯催化剂的配体，在芳烃的邻位和间位C-H活化中实现了增强的反应性和极高的单选择性（高达99%）。这些反应原本使用双功能单N-单保护氨基酸配体（MPAA）来实现，但单选择性较差。值得注意的是，Pd-酶复合物被确定为活性催化剂物种。对酶的机理研究和结构分析表明，酶的一级结构、序列长度以及具有疏水侧链的氨基酸百分比对于实现单选择性至关重要。此外，基于这些发现，作者还进一步开发了一种含有甘氨酸的低聚肽，能够实现类似的高单选择性。相关成果发表在Nat. Catal.上，文章链接DOI：10.1038/s41929-025-01407-5。

（图片来源：Nat. Catal.）

正文

在C-H活化反应中，当存在多个相同的C-H键时，实现单选择性活化是一个重大挑战。尽管近年来位点选择性和对映选择性C-H活化已取得了快速发展，但大量C-H活化反应仍然存在单选择性差的问题。最近，南京工业大学胡燚课题组和美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）余金权课题组利用蛋白质和低聚肽作为有效配体，其可以在Pd(II)催化的C-H活化反应中发挥MPAA配体的功能，单一选择性的实现邻位或间位的C-H活化反应（高达99%）。反应中Pd-酶复合物为反应中的活性催化剂物种（Fig. 1）。

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作者首先以1a和丙烯酸乙酯为底物对反应进行探索（Fig. 2a）。通过一系列条件筛选，作者发现当使用1a (1.0 equiv), 丙烯酸乙酯 (3.0 equiv), Pd(OAc)2 (10 mol%), Novozyme 435 (1 mg), nBu4NIO4 (2.0 equiv), 在HFIP中60 oC反应24小时，可以以89%的产率得到间位烯基化产物2a (mono:di = 98:2)（entry 1）。控制实验表明，当使用Ac-Gly-OH 配体时或没有Novozyme 435存在时，产物的产率和选择性均有所降低。

为探究酶配体在单选择性间位C-H活化中的应用，作者使用多种带有模板T1的底物在最优条件下进行间位烯基化反应。相比使用Ac-Gly-OH配体时对未取代苯基底物仅得到较低产率的单-和双-烯基化混合产物，目前采用酶配体的方法能以优异的单选择性获得间位烯基化产物2a-2c（51-88%）。尽管邻位取代基造成的位阻会在一定程度上阻碍间位C-H活化，但使用Ac-Gly-OH配体仍会产生大量双烯基化产物。而使用Novozyme 435替代Ac-Gly-OH则能获得优异的单选择性和良好产率(2d-2h)。此外，该酶配体也适用于对位取代或联苯基底物，提供较高的单选择性(2i-2l, 74-81%)。在苯乙酸的间位C-H烯基化反应中，用酶替代Ac-Gly-OH配体也能以中等产率（51-63%）和高单选择性获得产物2u-2x（Fig. 2b）。对于带有T2的苯甲酸底物，使用Novozyme 435作为配体可实现91-96%的单选择性(2y-2ab)（Fig. 2c）。

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邻位C-H活化的较高反应性为实现单邻位选择性带来了更大的挑战（Fig. 3）。为了进一步评估这种酶配体策略在增强单选择性方面的通用性，作者首先选择尝试Pd(II)催化的Weinreb酰胺导向的苯甲酸邻位C-H烯基化反应，因为该反应在Ac-Gly-OH配体存在下会产生相当数量的双烯基化产物。当作者使用Novozyme 435替代Ac-Gly-OH显著提高了单选择性（4a-4d）。对于苯乙酸底物，通过筛选一系列商业可用的酶，作者得出Lipozyme RMIM能够以高产率和92-96%的单选择性得到单烯基化产物4e-4h（Fig. 3a）。同样，这种用于提高单选择性的酶配体策略也同样适用于氢化肉桂酸底物（4i-4l）。随后，该策略可成功扩展到酯导向的邻位C-H烯基化反应，当使用Candida rugosa脂肪酶（E9）作为酶配体时，产物6a的单选择性达到99%。作者之前研究的MPAA促进的游离羧酸邻位C-H烯基化反应一直受到单烯基化和双烯基化产物混合物形成的困扰。作者发现，Lipozyme RMIM和Novozyme 435都能以高单选择性得到所需的邻位烯基化产物6b-6e（Fig. 3b）。

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为深入理解酶控制的单选择性，作者尝试制备Pd-CALB复合物以探究钯在酶CALB上的结合位点。然而，直接将Pd(OAc)2与游离CALB孵育导致大聚集体形成，阻碍了结合模式分析。受金属-酶纳米杂化物的启发，作者将CALB与Pluronic F-127偶联获得CALB-P纳米偶联物，随后合成三种不同比例的Pd-CALB-P复合物。催化活性测试表明，Pd:CALB-P (2:1)复合物表现优异，对间位烯基化产物2a实现98%单选择性和76%收率。HR-TEM图像和元素映射证实已成功制备了无聚集的Pd-CALB-P纳米颗粒，作者观察到Pd纳米颗粒被CALB-P纳米偶联物包围，表明Pd催化剂广泛结合在CALB蛋白表面。XPS分析显示纳米偶联物中主要检测到Pd2+物种，O 1s XPS谱中530.8 eV处的峰归属于O-Pd键，且排除了该键来自Pd(OAc)2的可能性，表明Pd2+与CALB-P的氧原子共价结合形成活性Pd-酶物种。这些表征结果表明，空间位阻的蛋白配体CALB阻碍了第二次C-H官能团化，从而得到高单选择性（Fig. 4）。

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为深入研究酶结构对单选择性的影响，作者首先测试了变性Novozyme 435作为配体的效果，以78%收率和96%的单选择性得到目标产物2a，表明酶配体的一级结构可能是其单选择性的关键因素。这一发现引发了对是否可借鉴不对称催化方法理性设计寡肽配体来实现单选择性C-H活化的思考。因此，作者对寡肽和多种酶进行了结构-选择性关系研究。有趣的是，当氨基酸与Pd比例维持在1时，九种不同酶E1-E9均表现出高单选择性(92-98%)，而两种寡肽O1和O2则显示较低单选择性(82%和86%)，表明实现高单选择性可能需要最小序列长度。在酶中，氨基酸残基结构也起关键作用并导致单选择性差异，如E3、E4和E8的单选择性相对较低。分析显示，选择性最高的酶E1和E6含有较高比例的疏水侧链氨基酸(Gly、Ala和Val)，而选择性最低的E3、E4和E8这些氨基酸比例较低。这些数据表明，实现单选择性的三个关键因素是：氨基酸与Pd比例应接近或超过1，较长序列长度有益，较高比例的疏水侧链氨基酸残基更佳（Fig. 5）。

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基于上述结果，作者设计了一系列含甘氨酸且序列长度不同的寡肽(O3-O12)用于单选择性间位C-H活化反应。令人满意的是，八肽O10以82%的收率和优异的97%单选择性获得目标产物，与Novozyme 435的结果相当。此外，研究还考察了含疏水氨基酸的寡肽，包括五丙氨酸和五缬氨酸(O13和O14)，它们得到了与五甘氨酸相当的单选择性。随后，作者检测了一系列市售寡肽O15-O21，发现随着肽中甘氨酸、丙氨酸或缬氨酸比例增加，单选择性会提高，这可能是由于这些基团可作为有效的双功能MPAA配体。为进一步确认寡肽防止双C-H官能团化的能力，作者使用单烯基化产物2amono作为底物在条件A下进行反应。值得注意的是，使用八肽O10作为配体时，二烯基化产物2adi的收率较低；相比之下，选择性较低的配体O4则产生了大量的双C-H烯基化产物。这些发现进一步支持了前述观察，突显出由八个甘氨酸残基组成的寡肽O10是实现优异单选择性的最佳配体（Fig. 6）。

（图片来源：Nat. Catal.）

总结

胡燚课题组和余金权课题组合作确立了蛋白质和低聚肽作为有效配体的地位，它们可以在Pd(II)催化的C-H活化反应中发挥MPAA配体的功能。这一发现为实现邻位或间位C-H活化反应的单选择性这一重要挑战提供了有效的解决方案。其中Pd-酶复合物是控制单选择性的活性物种。此外，初步实验和分析表明，特定的序列长度以及具有疏水侧链的氨基酸残基的存在对实现单选择性至关重要。基于这些发现，作者还成功发现了一种含有甘氨酸的八肽配体，其能够实现优异的单选择性。这不仅为C-H活化提供了新工具，也为生物-化学交叉催化提供了新范式。未来有望在此基础上发展出更多高选择性、高对映选择性的C-H转化方法。

文献详情：

Achieving mono-selective palladium(II)-catalysed C–H activation of arenes with protein ligands.

Hua-Jin Xu, Zhoulong Fan, Bin-Bin Nian, Chen-Hao Gu, Shuo-Jie Shen, Wei Zhang, Yi Hu , * Jin-Quan Yu*

Nat . Catal.,2025

https://doi.org/10.1038/s41929-025-01407-5

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